新型变形放大式阻尼器性能与结构减震控制研究

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结构振动控制弥补了传统抗震设计方法的不足,在结构振动控制领域,被动控制以其构造简单、造价低廉、易于维护且无需外部能源等优点而受到学者们的广泛关注。耗能减震阻尼器技术是实现结构被动控制、减轻结构在地震和强风作用下动力响应的有效方法。然而对于大多数建筑结构,由于其自身特点或工程条件约束等会导致结构中装设的阻尼器在地震作用下的变形相对较小,阻尼器不能充分发挥工作以达到能量耗散的目的,故而在实际工程应用中会受到限制。因此,研究新型具有变形放大功能的阻尼器就显得十分必要,该类阻尼器对较小的变形同样敏感和适用,能充分驱动耗能材料发挥其耗能特性,从而实现更加理想的减震控制效果。本文从控制结构的节点转动变形和层间侧移为切入点,分别研发了两种对应的具有变形放大机制的新型耗能阻尼器,对其进行了性能试验和理论模型推导,并分别研究了其对建筑结构的减震控制效果。在此基础上,建立了变形放大式复合阻尼器的结构减震体系,并对其减震性能进行了验证。主要研究内容和结论如下:(1)对橡胶黏弹性材料进行了性能试验研究,考察了剪切变形、加载频率和循环加载次数对其力学性能的影响规律;提出了一种改进的可以考虑多种非线性因素的力学模型,对该橡胶黏弹性材料的剪切滞回性能进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了该力学模型的准确性,也为后续章节转角放大式阻尼器设计中材料的选择提供了理论和试验基础。(2)针对建筑结构的节点转动变形,研发了一种新型转角放大式橡胶黏弹性阻尼器,并对其进行了循环加载试验,研究了转角变形和加载频率对其力学性能的影响;建立了该阻尼器的弯矩-转角力学模型,并进行了数值模拟验证;对装有该阻尼器的某框架结构进行了减震控制分析并讨论了减震效果,结果表明:通过把梁柱节点处的角位移响应放大2.5倍,该阻尼器的减震控制效果可提升2~4倍。(3)针对建筑结构的层间侧移,提出了一种新型自复位放大位移型SMA(Shape Memory Alloy,形状记忆合金)阻尼器,对该阻尼器进行了力学性能试验并研究了不同加载条件对其力学性能的影响;建立了该阻尼器的恢复力模型并进行了数值模拟验证;研究了该阻尼器对结构的减震控制效果以及设置不同位移放大系数对控制效果的影响,结果表明:把结构层间位移反应放大2.5倍时减震率可提升2~3倍;在工程应用中,该阻尼器的位移放大系数建议取值范围是2.0~3.0。为实现最佳耗能效果,提出了该阻尼器的参数设计准则。(4)基于提升耗能减震设计思路,提出将两种具有变形放大功能的阻尼器同时安装在结构主体上形成了变形放大式复合阻尼器的结构减震体系,对其进行了弹塑性时程分析,并对两类阻尼器的减震贡献进行了讨论,结果表明:复合阻尼器减震体系对结构的减震率基本上大于两种单一类型阻尼器减震结构的线性和;两种阻尼器性能互补,协同耗能作用明显,总耗能比值范围接近于1,充分发挥了各自的优势,有效提升了结构整体的减震性能。
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